故宮古建筑的防震科學(xué)
(相關(guān)資料圖)
近日，土耳其發(fā)生兩次7.8級(jí)地震，震級(jí)大，破壞力強(qiáng)，導(dǎo)致千年古堡加濟(jì)安泰普古堡被毀。從建筑結(jié)構(gòu)角度而言，加濟(jì)安泰普古堡屬于砌體結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)即以磚石作為建筑核心材料，磚石之間通過砂漿黏結(jié)，因而當(dāng)砂漿受到地震破壞時(shí)，易誘發(fā)建筑整體破壞。相比而言，木結(jié)構(gòu)建筑以彈性性能良好的木材為核心材料，且擁有平擺浮擱柱根、榫卯節(jié)點(diǎn)、斗拱等多種抗震構(gòu)造，因而能夠抵抗較為強(qiáng)烈的地震。故宮便是其中的代表之一。
故宮古建筑的立柱柱根并不插入地下，而是平放在一塊石頭的頂面。該石頭稱為柱頂石，而柱根與柱頂石的連接做法稱為平擺浮擱。一方面，木材在封閉的環(huán)境中容易糟朽，立柱柱根若插入地底下，很可能因?yàn)榭諝獠涣魍ǘ阈?。另一方面，這也是隔離地震的需要。若柱根插入柱頂石內(nèi)，在強(qiáng)大的地震力作用下，柱根很容易折斷并造成古建筑破壞。而平擺浮擱的做法，使得在發(fā)生地震時(shí)，柱根反復(fù)在柱頂石表面運(yùn)動(dòng)，不僅不會(huì)折斷，而且會(huì)產(chǎn)生“四兩撥千斤”的效果。另柱根側(cè)面與柱頂石側(cè)面有一定間距，可以保證柱根始終在柱頂石表面往復(fù)滑動(dòng)，而不掉下來。
從地震工程學(xué)角度講，平擺浮擱增大了古建筑整體的自振周期，可產(chǎn)生隔震效果。所謂自振周期，就是物體振動(dòng)一個(gè)來回所用的時(shí)間。一般現(xiàn)代建筑的自振周期與地震波的自振周期接近，在地震作用下的振動(dòng)幅度要放大，產(chǎn)生類似共振效應(yīng)，因而容易受到破壞。而柱根平擺浮擱的方式，使得古建筑在地震作用下運(yùn)動(dòng)幅度變大，往返時(shí)間變長(zhǎng)，自振周期遠(yuǎn)大于現(xiàn)代建筑，因而有利于避開地震波峰值的沖擊，而產(chǎn)生隔震效果。
故宮古建筑的重要特征之一，即梁與柱采用榫卯形式連接。其中，梁端做成榫頭形式，柱頂做成卯口形式。榫頭插入卯口后，形成穩(wěn)固的榫卯節(jié)點(diǎn)。
從力學(xué)角度來講，榫卯節(jié)點(diǎn)屬于半剛接節(jié)點(diǎn)。所謂半剛接節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)不是完全固定，而是可以轉(zhuǎn)動(dòng)，但受到一定限制，不能隨意轉(zhuǎn)動(dòng)。這種限制力源于榫頭與卯口之間的擠壓、咬合。半剛接節(jié)點(diǎn)非常有利于古建筑抗震。因?yàn)殚久?jié)點(diǎn)有限的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，有利于減小梁柱構(gòu)架的晃動(dòng)幅度。不僅如此，榫頭與卯口之間的相對(duì)滑移、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)，可以耗散部分地震能量，減小結(jié)構(gòu)整體破壞。其機(jī)理在于，當(dāng)?shù)卣鹉芰孔饔糜诠沤ㄖr(shí)，可被轉(zhuǎn)化為3個(gè)部分，即構(gòu)架變形的變形能，構(gòu)架破壞的內(nèi)能和構(gòu)架（榫卯、斗拱等構(gòu)件）運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能；當(dāng)?shù)卣鹉芰俊?gòu)架變形能都不變時(shí)，榫卯節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能越大，則構(gòu)架的內(nèi)能越小，因而受到破壞的程度越小。
斗拱為我國古建筑特有的組成部分，是位于柱頂之上、屋檐之下的，由斗形、弓形的木構(gòu)件層層疊加起來的組合木構(gòu)件，其外形猶如一個(gè)個(gè)倒立的三角形。
發(fā)生地震時(shí)，斗拱的各個(gè)構(gòu)件之間互相摩擦、擠壓，并產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，猶如一個(gè)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)體系。從能量守恒角度講，地震波的能量傳到斗拱位置時(shí)，主要分成了2個(gè)部分的能量：斗拱的內(nèi)能及斗拱的動(dòng)能。每個(gè)斗拱由上百個(gè)小構(gòu)件組成，它們猶如機(jī)器的零件一樣，在地震作用下不斷產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)，耗散了大量的地震能量，從而使得斗拱內(nèi)能的比例很小，因而斗拱在地震作用下幾乎不會(huì)產(chǎn)生破壞。事實(shí)上，大量的古建震害勘查結(jié)果表明，斗拱在地震作用下一般保存完好。
故宮古建筑優(yōu)秀的抗震構(gòu)造，是我國古代工匠卓越建筑智慧的體現(xiàn)。而其中包含的古代科學(xué)機(jī)理，則值得我們?nèi)パ芯颗c弘揚(yáng)。
（作者系故宮博物院研究館員）
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